ساخت و بررسی غشاء نانوکامپوزیت آلی - معدنی برای کاربرد دماهای متوسط در پیل سوختی پلیمری
چکیده
هتروپلی اسیدها (hpas) آنیون های اسیدی در مقیاس نانو از فلز-اکسیژن به هم چسبیده هستند که قوی تر از اسیدهای جامد متداول می باشند. در این پایان نامه، یک دسته غشاءهای نانوکامپوزیت آلی-معدنی برای عملکرد در پیل های سوختی پلیمری درحالت دمابالا/رطوبت پایین ساخته شدند. نمک های سزیم هیدروژن هتروپلی اسید شامل cs2.5h0.5pw12o40 (cspw) و cs2.5h0.5pmo12o40 (cspmo) در نفیون آمیخته گردیدند. اضافه کردن این مواد وابسته به رطوبت و هادی پروتون میزان آب را بهبود داده، اما فعالیت گرو های سولفونی ماتریس پلیمری را محدود می کنند. کلوخه شدن ذرات و پوشانندگی مکان های فعال (گروه های سولفونی)در غشاءهای نانوکامپوزیت مشاهده شدند. اسیدهای جامد نامحلول و با سطح ویژه بالای cspw و h3pw12o40/sio2 (pws) با بارگیری مختلف در کوپلیمر سولفونه فلورینه بای فنل با گروه انتهایی قابل پیوند عرضی (esf-bp) آمیخته شدند. آنالیزهای گرمایی، جذب آب، ظرفیت تبادل یونی (iec) پایداری اکسایشی، خصوصیت مکانیکی، هدایت پذیری پروتونی در شرایط مختلف و عملکرد در پیل سوختی پلیمری واحد (pemfc) برای بررسی اثر اضافه شونده hpas روی غشاءهای ساخته شده انجام گردیدند. هدایت پذیری پروتونی در شرایط دمایی و رطوبتی مختلفی اندازه گیری شدند. به دلیل خاصیت نگهداری آب یا به وجود آمدن مکان های سطحی فعال توسط hpas، هدایت پذیری برای غشاءهای نانوکامپوزیت در شرایط دمابالا و غیرمرطوب ( °c 110 و °c 120) بیشتر از پلیمر ساده بودند. مجموعه الکترود غشاءهای (meas) ساخته شده با غشاءهای نانوکامپوزیت در مقایسه با نفیون ساده در حالت مرطوب و در چگالی جریان های بالا جواب بهتری در عملیات پیل سوختی نشان دادند. در پیل نیمه مرطوب، در هردوی چگالی های جریان پایین و بالا، پیل سوختی با غشاء نانوکامپوزیت عملکرد بالایی از خود نشان داد. در پایداری پیل های منفرد تحت بار ثابت، سرعت بالای نزول ولتاژ در غشاء نفیون به واسطه پدیده خشک شدن مشاهده گردید. اثر پوشش برای ذرات cspw شدیدتر از ذرات cspmo است؛ نتیجه آن مقادیر بالاتر جذب آب، iec، هدایت پذیری و عملکرد پیل سوختی و کاهش نزول ولتاژ برای غشاء cspmo/nafion نسبت به غشاء cspw/nafion بود. نتایج پایداری اکسایشی غشاءها پایدار بودن بیشتر غشاء کامپوزیت cspw/nafion در مقابل عوامل اکسنده به واسطه پایین آوردن نفوذ h2o2 بود. اندازه گیری ft-ir برای مواد معدنی cspw، cspmo و pws ساخته شده نشان داد که ساختار اولیه keggin تقریبا بدون تغییر باقی مانده است. ساختار مولکولی کوپلیمر esf-bp ساخته شده توسط طیف nmr مشخص گردید. اضافه کردن hpas به ماتریس پلیمری esf-bp موجب افزایش دمای شیشه ای، قدرت کششی، پایداری اکسایشی، جذب آب (به میزان کم) و هدایت پذیری و کاهش iec (به مقدار کم)، دانسیته غشاء و شدت برشی می گردد. غشاء های نانوکامپوزیت کاملا جدید با روش بدون حلال بر پایه استفاده از مخلوط پلیمری پلی اتیلن اکسید (peo) و کوپلیمر پلی وینیلدن فلوراید-کلرو تترافلورو اتیلن (pvdf-ctfe) آمیخته با cspw به عنوان هادی پروتون ساخته شدند. در این نوع از غشاءها، تغییر هدایت با دما در شرایط خشک ممکن است به واسطه حرکت قطعه ای پلیمر باشد که سبب پرش پروتون از یک مکان به مکان دیگر یا افزایش فضای خالی برای حرکت پروتون باشد. در حالت کاملا مرطوب، تعادل دینامیکی میان ذرات مختلف حامل پروتون نوع هدایت پذیری را تعیین می کند که می تواند توسط مکانیسم grotthuss بیان گردد. مدلسازی pemfc توسط شبکه های عصبی مصنوعی (mlp و rbf) و anfis، نتایج نشان دهنده دقت بالای mlp و زمان پایین پاسخ توسط rbf بود. به طور ویژه، برای anfis زمان پاسخ کوتاه تر و دقت بسیار بیشتر بود.